PERFORACION 1 Yacimientos y Gradientes de Presión DEPARTAMENTO DE PETROLEOS
ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
Caracterización del yacimiento • • •
Esfuerzos ensitio Presión poral Propiedades ec!nicas
Soluciones" Perforación y Completación •
Planificación de pozo •#rayectoria •Peso de lodo •Puntos de $casing%
•
PressureGradient
Estrategia de Completación •!&imo Diferencial •Dise'o de $liner% •(e)uerimiento para
OBG
h t p e D
control de arena •ane*o de la presión
PP FG
• • •
Static Properties Strength
+umento de la Eficiencia de la Perforación (educe costo y riesgo +umento de producción y ,alor
Reduciendo Aumento costos del valor
Presión Anormal de Poro
Zona de transición de presión
d a d i d n u f o r P
Presión
•
La presión de poro puede ser diferente a la normal para la profundidad.
•
Se deben cumplir ambas condiciones para que se desarrolle presión anormal
•
Una barrera impermeable por encima.
•
Un mecanismo que provoque el cambio de presión.
3
Causas de la sobreresión o resión anormal de !ormaciones •
Existen presiones anormales de formación en por lo menos una parte de los depósitos sedimentarios del mundo. Ha varios mecanismos responsables de la presión anormal de formación. Se pueden clasificar estos mecanismos de la si!uiente manera" – – – –
Efectos de la compactación c ompactación Efectos dia!en#ticos Efectos de la densidad diferencial Efectos de la mi!ración
M"todos ara Calcular la resión de oro •
La presión de los fluidos dentro de las formaciones a ser perforadas constitue uno de los par%metros m%s cr&ticos requeridos por los in!enieros de perforación en la planificación planificación perforación de un po'o profundo moderno.
•
Las t#cnicas para detectar estimar la presión anormal de formación se clasifican con frecuencia as&" – – –
(#todos de pronóstico (#todos aplicables durante la perforación (#todos de verificación
Predicción de Sobreresión durante la Plani!icación
Se pueden realizar predicciones acerca de sobrepresión tomando en cuenta lo siguiente: Datos compensados de pozo. Interpretación Interpretación sísmica.
)
Sobreresión Durante la Per!oración Se puede detectar la sobrepresión de las siguientes maneras: • Tendencias de conexión de gas (disminución de pérdida de equilibrio). • Tendencias de tasas de peroración (disminución de pérdida de equilibrio). • !aracterísticas sísmicas durante la peroración (cambios en " t). • #esisti$idad durante la peroración (%erramienta #&' cambios de porosidad). • !onducti$idad del lodo (luidos de ormación que ingresan al lodo). • Densidad de cortes de arcilla de pizarra (tendencias de compresión) • Ingreso en el pozo (golpe de presión).
*
E#emlo $ Se colocó incrementó una sarta protectora de re$estimiento a una proundidad de *.+++ pies. Se colocó un pre$entor de re$entones encima del re$estimiento para sellar el espacio anular entre el re$estimiento la tubería de peroración. ,n ese momento el luido de peroración pesaba -. lbm/gal (ppg). Si se asume que la ormación solamente podr0 sostener 1+2 de la presión de cubertura teórica 3cu0nta presión puede soportar el pre$entor de re$entones contra el pozo4 Solución: 5resión asumida de rotura de ondo de pozo a *.+++ pies 6 (+ (+.1+)(7 ps psi/pie)(*.+++ pi pies) 6 . .7++ ps psi 5resión %idrost0tica de lodo 6 (+.+ (+.+8) 8)(-. (-. lbm/ lbm/gal gal)(* )(*.++ .++++ pies pies)) 6 7.9* 7.9*88 psi psi 5resión que puede soportar el pre$entor de re$entones 6 .7++ psi 7.9*8 psi 6 ;;8 psi.
+
E#emlo % Se racturar0 %idr0ulicamente una ormación a una proundidad de -.+++ pies. ,l luido de racturación tiene una gra$edad especíica de +.<8. Si la ormación se rompe a un <+2 de la presión de cubertura teórica 3qué presión de bomba se requerir0 para eectuar la rotura4
Solución" 5resión esperada de rotura de ormación 6 (+.< (+.<+) +)(7 (7 psi/ psi/pi pie) e)((-.+ .+++ ++ pies pies)) 6 1.+ 1.+++ psi psi 5resión %idrost0tica del luido de racturación 6 (+.9** (+.9** psi/pie) psi/pie) (+.<8) (+.<8) (-.+++ (-.+++ pies) pies) 6 *.*7 *.*7 psi 5resión requerida de bomba 6 presión esperada de rotura de ormación presión %idrost0tica 6 1.++ psi = *.*7 psi 6 *.<<< psi
,
E#emlo & >na ormación tiene una presión de *1+ psi a <.+++=pies. ,l operador desea tener un margen de seguridad de ;++ psi en el lado opuesto a la ormación. 3!u0l es la densidad requerida del lodo de peroración4 Solución: &l modiicar la ecuación obtenemos:
5 6 +.+8 x ? x %
? 6 5/(+.+8 x %) (lbm/gal) 5 6 presión de la ormación @ margen de seguridad 6 *1+ @ ;++ 6 9*+ psi ? 6 9*+ 9*+/( /(+. +.+8 +8 x <++ <+++) +) 6 7+. 7+.99 lbm/ lbm/ga gall -
Detección de Sobreresión Durante la Per!oración •
Se pueden a!rupar los m#todos previos se!/n los si!uientes temas" 0n%lisis de datos de rendimiento de perforación 1tendencia de tasa de perforación2 0n%lisis de datos de re!istros de lodo
• • • • • •
0n%lisis de escombros escombros 1medición de la densidad a !ranel !ranel de la arcilla de pi'arra2 eterminación de capacidad de intercambio de cationes 0n%lisis de as de Lodo 0n%lisis de fluidos fluidos de perforación 1!rado de salinidad salinidad o resistividad5 temperatura densidad2
'onas de Transición •
Una 'ona de transición es un ran!o de profundidades en el cual cambian las !radientes de presión de poro.
•
Si una 'ona de transición tiene !radientes que se incrementan5 esto puede causar !olpes de presión. Sin embar!o5 las presiones presiones de poro tambi#n 7acen 7acen que se incrementen las !radientes !radientes de fracturas es una venta8a colocar el revestimiento tan le8os como sea posible cuando 7a 'onas de transición 0s& se lo!rar% una maor fuer'a de base para poder continuar con la perforación. 0 veces se requiere tratar de equilibrar los factores para perforar perforar tan le8os como sea posible pero sin causar un !olpe de presión.
•
Si una 'ona de transición tiene !radientes decrecientes5 esto si!nifica que tambi#n disminuir%n las !radientes de fractura de de formación. Pueden ocurrir p#rdidas p#rdidas cuando se fractura la formación. Si las p#rdidas son tan !raves que el nivel nivel del fluido en el po'o disminue5 disminue5 podr% ocurrir un !olpe de presión de las 'onas abiertas de maores !radientes de presión que est%n abiertas en el po'o.
•
Es importante identificar pronto las 'onas posibles de transición5 para tomarlas en cuenta en la planificación del po'o.
Presión de Poro ( )radiente de *ractura •
El perforador deber% estar alerta en caso de que se presenten indicadores de cambios en la presión de poro. Existen varios par%metros que puede monitorear durante la perforación"
•
9asa 9asa de penetración : cuando disminua la exceso de presión del lodo en la presión de poro de las formaciones5 los tr#panos de de tres conos podr%n perforar m%s r%pidamente. Esto se puede notar m%s con tr#panos de diente fresado5 menos con tr#panos con insertos.
•
9orsión 9orsión arrastres de perforación ; que dan como resultado un aumento de los sólidos en el 7oo de perforación cuando el exceso de presión disminue.
•
!rado de salinidad del lodo : puede verse afectado si m%s fluido de poro 1que !eneralmente es salino2 in!resa en el lodo.
M"todos de veri!icación de sobreresión •
La decisión de cu%ndo se parar% temporalmente de perforar reali'ar la cementación del revestimiento en el po'o antes de continuar con operaciones de perforación m%s profundas es clave tanto para lo!rar el #xito t#cnico como económico de las actividades de perforación. • •
Si se coloca el revestimiento mu alto5 se requerir% una sarta de perforación adicional no planificada para alcan'ar la profundidad planeada5 planeada5 por tanto los costos ser%n muc7o maores se disminuir% el t ama?o final del po'o. Si no se coloca el revestimiento cuando se requiera5 puede ocurrir un reventón subterr%neo5 que puede ser mu costoso que puede requerir del taponamiento abandono de la maor parte del 7oo de perforación.
•
Por eso es necesario conocer con precisión la presión de formación para seleccionar la me8or profundidad de colocación del revestimiento. Por tanto5 @qu# podemos 7acerA
•
eneralmente se re!istran los datos del 7oo abierto de perforación 1re!istros de tiempo de tr%nsito5 de conductividad5 o de resistividad2 para contar con re!istros permanentes de las formaciones penetradas antes de colocar el revestimiento. Se 7an desarrollado m#todos emp&ricos para estimar la presión de formación partiendo de al!unos de los par%metros que dependen de la porosidad medidos por los re!istros de po'o.
•
Las estimaciones de presión calculadas de esta forma permiten verificar las estimaciones previas de presión reali'adas durante la planificación perforación del po'o. 9ambi#n 9ambi#n son mu valiosas estas estimaciones de presión cuando se planifican po'os futuros en el %rea.
)radiente de *ractura de *ormación •
pie 1pero no es as& en la maor&a de casos2.
Plani!icación de Po+os ,Per!iles de Presión ( Tensión Son importantes estos perfiles de presión > tensión en el dise?o de po'os. Este dia!rama es un tra'ado de los diferentes valores de tensión presión comparados con la profundidad para un po'o planificado. La !radiente del fluido de perforación debe ser un poco maor que aquella de presión de poro. 0s& se puede e8ercer una una exceso de presión contra la presión de poro. @Bu# ocurre con la presión de poro por deba8o de los ,6 piesA Por deba8o de los ,6 pies5 se penetra una Zona de 9ransición 9ransición de Presión. isminue la exceso exceso de presión.
Plani!icación de Po+os ,Per!iles de Presión ( Tensión -.
Se indica indica la perfor perforaci ación ón a -3.) -3.) pies pies con lodo. lodo. @Bu# ocurrir% cuando la presión de poro sea maor a la 7idrost%tica de lodoA
6.
pie de la pies la tensión5 profundidad x !radiente5 ser% ,.4$ psi.
•
Sobrecar!a : peso de la roca por encima de la profundidad que nos concierne.
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0umentos de !radiente !radiente se!/n se!/n la profundidad 1compactación2.
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9ensión de sobrecar!a a -. pies C - x .,4$ C ,4$ psi.
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@pies. psi>pies. Fcurre un !olpe de presión en el po'o despu#s de cerrar el GFP5 la presión de la tuber&a de perforación perforación se estabili'a estabili'a 7asta alcan'ar - - psi. @o del tr"ano? tr"ano? ( el di0metro e2terior de la tuber9a de er!oración4 se uede convertir esta altura en un volumen4 @$3 Tambi"n se odr0 conocer la temeratura a esta ro!undidad4 T$3 La resión de -as P$ &:;63
Tolerancia de -oles de resión & -. 0l conoce conocerr la presión5 presión5 el el volume volumen n la temperatura del !as en la base5 se puede revisar la situación cuando ocurra el primer !olpe de presión. Se conocen la presión 1Cpresión de poro2 tambi#n la temperatura a dic7a profundidad. profundidad. La /nica /nica variable desconocida es N6 a7ora se la puede calcular usando la Le de as as o 5ue el tr"ano 5ue lo er!oró3
Predicción de la Presión Anular Anular Durante Oeraciones de Control de Po+o El procedimiento es el si!uiente" • • • • •
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Primero verificar que 7a un !olpe de presión es decir que el po'o est# fluendo )
• !0lculo de ρBE ρB 6 P m = (5c = 5dp) / (+.+8 x A B
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Este es un c%lculo aproximado. Oa que ρ es una función de calibradores de presión5 el ρm en el anillo es maor que el ρm en la sarta de perforación5 por lavados 1!eometr&a del 7oo2.
Cómo Identi!icar los )oles de Presión •
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Se debe determinar la longitud del golpe de presión la presión de la ormación
Se establece la longitud del golpe de presión dependiendo del aumento de la osa la geometría del %oo de pozo. 5#IF,# !&SG: Si el $olumen $olumen del golpe de presión presión HB capacidad cerca de D! entonces AB 6 HB x !dc (!dc 6 longitud/unidad del $olumen son mu importantes las unidades de medición) S,?>JDG !&SG: !&SG: Si el $olumen del del golpe de presión HB K capacidad cerca de D! entonces AB 6 Adc @ (HB = Adc / !dc) x !dp
Relación entre la P ( Pd
Cómo Identi!icar los )oles de Presión
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Si ρB 9 ppg el golpe de presión est0 compuesto principalmente por gas si ρB K < ppg el golpe de presión est0 compuesto por líquidos ,n la ecuación anterior se asume que ingresa el golpe de presión como un tapón es decir que no es una mezcla con el luido de peroración. Si el golpe de presión no es un tapón entonces se calcula H B como una mezcla de luidos de golpe de presión de peroración. ,s decir HB 6 ? @ q x td
PROLEMA DE EFEMPLO . CGMO IDENTI*ICAR UN )OLPE DE PRESIGN Pre-untaH Se est% perforando un po'o a una profundidad vertical de - pies mientras se circula ,.);lbm>!al de lodo a una tasa de +.$ bbl>min cuando el po'o comien'a a fluir. El volumen de fosa aumenta en 6 barriles de lodo durante un per&odo de 3 minutos antes de que se detiene la bomba se cierran los preventores de reventones. espu#s de estabili'ar la presión5 se re!istran una presión inicial de tuber&a de perforación de $6 psi! una presión inicial de revestimiento de *6 psi!. La capacidad anular del revestimiento opuesto a la tuber&a de perforación es de -6., pies>bbl. La capacidad anular opuesta a , pies de collares de perforación es de 6+.) pies>bbl. pies la capacidad interna de , pies de collares de perforación es de .*3 bbl>pies. Se re!istró previamente una presión de bomba de + psi! a una tasa reducida de 6 6 carreras por min. El factor de bombeo es de .6 bbl>carrera. !al 7asta la densidad final de a7o!o del lodo.
Solución" La presión inicial de la tuber&a de perforación requerida despu#s de estabili'ar la velocidad de bombeo a 6 carreras > min.est% dada por"
Aa densidad del lodo de a%ogo est0 dada por pdpf = pdp + ∆ p p = *." + )"" = !$-." psig ρ . = ρ ! +
pdp "$"*. D
= /$% +
*." = !"$% lbm ' gal "$"*. ( !"#""" )
,l cambio total de presión de tubería de peroración requerido para mantener constante a la presión de ondo de %oo cuando la densidad de lodo en la sarta de peroración se incrementa de -.; a 7+.;=lbm/gal est0 dada por
∆ p ∆ pdpf = ( ρ . − ρ ! ) "$"*. D − p ρ !
"" ∆ pdpf = (!"$% − /$%) "$"*. (!"$""") − = -& psig / $ %
5or tanto la presión inal de circulación de la tubería de peroración est0 dada
MTODO DE PESO < CIRCULACIGN =DEL PER*ORADOR? ebido a que es lineal la relación entre la densidad promedio de lodo en la sarta de perforación la presión de circulación de la tuber&a de perforación5 se pueden obtener mediante un !r%fico los valores intermedios de la presión de circulación de la tuber&a de perforación. Si se incrementa !radualmente la densidad de lodo durante la circulación 1m#todo de circulación peso25 se debe mantener un re!istro de la densidad de lodo bombeada en la sarta de perforación para conocer en todo momento la densidad promedio del lodo en sarta de perforación. Se puede simplificar esta t#cnica si se asume que la densidad promedio de lodo en la sarta de perforación es la densidad de lodo en un punto de la sarta de perforación que tiene un volumen i!ual de lodo tanto por encima como por deba8o. La mitad del volumen total de la sart a de perforación est% dada por"
! .
[ /#!"" ( "$"!+..) + /"" ( "$""&-) ] = %) bbl
La cantidad de carreras de bomba requerida para bombear )+ bbl est% dada por"
Debido a que la tasa de bombeo es de + carreras/min demorar0
%) bbl = -+" strokes strokes "$. bbl ' strokes strokes -" carreras ." carreras ' min
= !& min
para que el lodo $aa de la supericie a este punto. punto. 5or tanto se puede calcular calcular la presión de tubería de peroración real en un punto dado del tiempo al ingresar el $alor de la densidad de lodo (de la siguiente diapositi$a) que ue medido en la
Pro-rama de Presión de Per!oración ara el M"todo de Peso ( Circulación
MTODO DE ESPERAR < PESO =DEL IN)ENIERO? Si se aumenta la densidad de lodo 7asta lle!ar al valor final de -.);lbm>!al antes de iniciar la circulación del !olpe de presión 1m#todo de esperar peso25 !eneralmente es conveniente expresar la densidad promedio del lodo en la sarta de perforación como una función de la cantidad de carreras bombeadas. Se asume que la relación es lineal5 para simplificar. ebido ebido a que el di%metro interno de la sarta de perforación no es uniforme5 esta presunción puede !enerar al!/n error5 pero #ste ser% mu peque?o para las sartas de perforación m%s comunes.
Aa cantidad total de carreras necesarias para bombear el lodo de a%ogo al trépano est0 dada por /#!"" ( "$"!+..) + /"" ( "$""&- ) = %)" carreras "$.
5or tanto la densidad promedio de lodo en la sarta de peroración aumentar0 7=lbm/gal después de bombear ;<+ carreras. &sumiendo que es una relación lineal se pueden calcular los $alores intermedios de la presión de la tubería de peroración mediante un gr0ico como se indica en la siguiente diapositi$a
Pro-rama de Presión de Tuber9a Per!oración ara el M"todo de Eserar ( Pesar
A"ndice , Detección de Presión Anormal ( Control de Po+os
C0lculo del e2onente d ara ronosticar indirectamente la resión anormal de !ormación Pre-untaH 0 una tasa de penetración de 63;pies>7r cuando se perfora una arcilla de pi'arra a una profundidad de ,$-$;pies usando un tr#pano de ,.+*$;pul!adas en un %rea ubicada en la costa del olfo de los Estados Unidos. El peso en el tr#pano fue de 6$5$; lbf la velocidad !iratoria de --3;rev>min. La densidad equivalente de circulación en el tr#pano fue de ,.$;lbm>!al. nidos es de +.9;8=psi/pies.
d mod
= d exp d mod
ρ n ρ e
ρ n =
"$+%* = )$/+ lbm ' gal "$"*.
$/ = !$% = !$* d − unidades / *"
C0lculo de la densidad a -ranel de la arcilla de i+arra ara ronosticar indirectamente la resión anormal de la !ormación Pre-untaH Una bomba de inección de mercurio dio un re!istro en la escala de 4$.3 cm3 a 64 psi! con una tasa vac&a de muestra en una c%mara de aire. cm3. Se a!re!ó a!ua dulce a la ta'a se me'clo 7asta quitar todas las burbu8as de aire. Se determinó que la densidad de la me'cla es i!ual a -.$$ !>cm3. cm3. 0l convertir las unidades de densidad a lbm>!al5 usando la constante de conversión .$6 para convertir R! a psi>pies
σ ob = "$"*. ( .$%") ( $--) ( !"#""") −
× [! − e
−"$""""* ( !"#""" )
"$"*. ( .$% − !$"&) ( $--) ( "$!) "$""""*
]
!! .%. ! ).%
/ +-% psi
Esta re-unta es una continuación del roblema de cómo identi!icar un -ole de resión3 Est0 relacionada con cómo circular or !uera del -ole de resión
